混合像素探測器技術最初是為了滿足歐洲核子中心（CERN） 大型強子對撞機LHC 粒子追跡需求而開發(fā)的。來自CERN和一些外部合作小組的研究人員看到了將混合像素探測器技術應用到高能物理以外領域的機會，于是Medipix1 Collaboration 誕生了。

Timepix系列是從 Medipix系列開發(fā)演變而來的，用于探測單個粒子的探測以獲得時間、空間、能量信息，歷經(jīng)Timepix2，Timepix3，目前Timepix4正在開發(fā)中，其目標是獲得更好的空間和時間分辨能力。Timepix3 是一種通用集成電路，適用于讀出半導體探測器和充氣探測器，可以同時獲得入射粒子或輻射的到達時間、空間及能量信息。與 Timepix1 相比，Timepix3具有更多功能、更好的時間分辨率和更先進的架構，可用于零抑制的連續(xù)稀疏數(shù)據(jù)讀出。

上一篇文章我們著重介紹了有關Timepix3芯片原理的基礎知識：Timepix3芯片原理及應用介紹(原理篇)。

這一章為應用篇，主要內容是基于Timepix3/Timepix芯片的光子計數(shù)、像素化探測器的最新應用。

四維掃描透射電子顯微鏡(4D STEM)可詳細記錄了電子在材料中的散射。4D STEM提供的好處是巨大的，它提供了豐富的數(shù)據(jù)，例如，通過質心或ptychography為基礎的分析提供了高精度、高電子劑量效率的相位成像。然而，長期以來，需要在每個探頭位置記錄二維散射圖像嚴重限制了4D STEM的掃描速度。近年來相機技術的進步大大提高了掃描速度，直接電子探測器的探測效率特別適合4D STEM。然而，即使是高幀率像素探測器，數(shù)據(jù)容易漂移，用于4D STEM，掃描速度仍然受到了顯著限制，得到的數(shù)據(jù)容易漂移。高幀率像素探測器也不適合用于低劑量光束敏感應用。

比利時安特衛(wèi)普大學jo.verbeeck教授和他的研究團隊基于Advacam公司的AdvaPIX探測器改造了一臺基于事件驅動的 Timepix3 直接電子探測相機，將 4D STEM 停留時間降至 100 ns，比基于幀讀出直接電子探測相機快幾個數(shù)量級。同時用不同加速電壓對探測器進行了表征，結果表明Timepix3直接電子探測相機特別適用于低劑量成像，和傳統(tǒng)的 STEM 成像技術相比，可以在不影響停留時間的情況下提供豐富的數(shù)據(jù)。

RaDron項目旨在開發(fā)一種小型設備，用于快速定位靜態(tài)或移動的伽馬輻射源，并將其集成到一架小型自主飛機(無人機)中。將來，探測器將被改裝成手持輻射成像儀，并作為手機附件使用。

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微通道板 (MCP)探測器有以高空間分辨率 (<10 mm) 和時間分辨率(<25 ps) 探測單光子的能力。盡管這種探測技術最初是為低事件率的應用而開發(fā)的，但讀出電子設備的最新進展，使這種技術能夠以更高的速度同時探測多個粒子。美國伯克利國家實驗室和肯塔基大學的科學家團隊研究了Timepix讀出芯片和MCP組合的探測器在需要記錄每個光子的位置和到達時間的軟 X 射線成像和光譜應用中的潛在用途。在 Advanced Light Source 進行的原理驗證實驗證明了MCP/Timepix 探測器能在相對較高的輸入計數(shù)率下工作，為這些探測器在共振非彈性 X 射線散射和 X 射線光子相關光譜 (XPCS) 應用中的應用鋪平了道路。原理性實驗研究了 MCP/Timepix 探測器的局部計數(shù)率飽和度，這是特定散射圖樣需要優(yōu)化的數(shù)據(jù)獲取參數(shù)。為消除探測器電荷擴散效應，提高空間分辨率至亞像素水平，開發(fā)了單光子簇（cluster）分析算法。這些實驗結果將指導未來 MCP 設備的持續(xù)開發(fā)，并針對軟 X 射線光子計數(shù)應用進行優(yōu)化，這將使 XPCS 動態(tài)測量能夠降至亞微秒時間尺度。

參考文獻：Tremsin, Anton S., et al. "Photon-counting MCP/Timepix detectors for soft X-ray imaging and spectroscopic applications." Journal of Synchrotron Radiation 28.4 (2021).

MiniPIX TPX探測器，采用Timepix ASIC和 300 μm Si傳感器（左）和從測量中獲得的示例圖像（右）。團簇是由水中鉛直質子束混合輻射場中的不同粒子產(chǎn)生的。低LET、窄、卷曲的團簇是電子的典型特征，高 LET、寬、直的簇是高能帶電重粒子（如質子）的特征，而低 LET、直的簇是光子的典型特征。在圖像的右側，顯示了重疊簇的示例。

質子治療鉛直束的精確表征對于任何治療程序系統(tǒng) (TPS) 的調試都是必不可少的。劑量分布特征包括在所謂的低劑量包絡中測量質子束中心和遠離中心的劑量剖面，并且需要具有幾個數(shù)量級動態(tài)范圍的復雜檢測系統(tǒng)。來及芬蘭、法國、捷克和意大利的研究團隊使用了單光子靈敏的 MINIPIX TIMEPIX 探測器以及內部設計的支架來測量空氣和水中的質子束劑量分布。研究人員使用各種能量質子束，驗證了 MINIPIX TIMEPIX 探測器出廠能量刻度，將得到能譜與蒙特卡羅 (MC) 模擬能譜進行了比較。剖面劑量分布測量的精度用克拉科夫質子設施調試數(shù)據(jù)進行了驗證，用 MC 代碼 GATE/Geant4 和 FRED 進行劑量分布模擬。MINIPIX TIMEPIX 測量和模擬之間有極好的一致性，證明了該系統(tǒng)對質子束進行簡單表征和驗證的可行性，表明此方法可以在任何質子治療設施中實施，以獲取調試、驗證分析和基于蒙特卡羅(MC) 的治療計劃系統(tǒng)(TPS)所需的實驗數(shù)據(jù)。

參考文獻：Stasica, Paulina, et al. "A simple approach for experimental characterization and validation of proton pencil beam profiles." Frontiers in Physics (2020): 346.

CdTe Timepix3 是一種光子計數(shù)半導體探測器，能夠同時測量每個入射 X 射線光子的能量和到達時間。高空間分辨率和CdTe 的高量子效率，高效率使其可用于多種成像應用，例如 X 射線相襯成像 (XPCI)。

XPCI 依賴于 X 射線在穿過樣品時的相移。本研究側重于自由空間傳播 XPCI 和單掩模邊緣照明 XPCI 方法，這兩種方法非常適合實驗室實施。

由于這兩種技術都對電荷共享高度敏感，基于Timepix3探測器獲得的每個光子能量和時間信息，使用像素簇分析方法可以將電荷共享的影響減小到最低程度。此外，研究人員使用探測器的能量分辨能力研究了兩種 XPCI 技術在 30kVp 源光譜中的性能。在這兩種情況下，相位對比度和信噪比 (SNR) 都被評估為能量的函數(shù)。最后，對兩種 XPCI 技術，證明了像素簇分析和能量選擇用于相位襯度是可行的。

參考文獻：Navarrete, C., et al. "Energy sensitive X-ray phase contrast imaging with a CdTe-Timepix3 detector." 2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). IEEE, 2020.

空間、放射治療、環(huán)境和輻射監(jiān)測等應用需要緊湊型儀器的遠程和簡化部署，同時需要實時評估數(shù)據(jù)。直接在探測器上處理數(shù)據(jù)，而不是在外部計算機/PC中處理，將是有價值且非常實用的。性能、處理速度、分辨率、功耗和檢測器操作占空比之間的平衡是必要的。來自捷克、荷蘭和波蘭的研究團隊基于MiniPIX TP3探測器設計這一套系統(tǒng)，提供了對于主要輻射成分、粒子通量和劑量率的有限分辨能力。

參考文獻：

T. Poikela , et al., Timepix3: a 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA /ToT and sparse readout, J. of Instrum .JINST 9 (2014) C05013.

C. Granja, J. Jakubek, S. Polansky, et al., Resolving power of pixel detector Timepix for wide range electron, proton and ion detection, Nuclear Instr. Methods A 908 (2018) 60 71.

Granja, C., et al. "MiniPIX Timepix3—a miniaturized radiation camera with onboard data processing for online characterization of wide-intensity mixed-radiation fields." Journal of Instrumentation 17.03 (2022): C03019.

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Advacam S.R.O.源至捷克技術大學實驗及應用物理研究所，致力在多學科交叉業(yè)務領域提供硅傳感器制造、微電子封裝、輻射成像相機和X射線成像解決方案。Advacam最核心的技術特點是其X射線探制器（應用CERN Timepix、Medipix芯片），沒有拼接縫隙（No Gap），因此在無損檢測、生物醫(yī)學、地質采礦、空間探測、藝術品鑒定及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。Advacam與NASA（美國航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持長期良好的項目合作關系。2021年，spin off子公司Advascope專為電子顯微鏡EM應用提供定制化粒子探測系統(tǒng)。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為捷克Advacam公司中國區(qū)的總代理，也在積極推廣Timex / Medipix芯片技術，并探索和推廣光子計數(shù)X射線探測技術在中國市場的應用，目前已有眾多客戶將MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功應用于空間輻射探測、X射線小角散射、X射線光譜學、X射線應力分析和X射線能譜成像等領域。同時我們也有數(shù)臺MiniPIX樣機，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的樣機，我們也非常期待對我們探測器感興趣或基于探測器應用有新的idea的老師聯(lián)系我們，我們可以一起嘗試做更多的事情。